KR20220031999A - 저 열용량 마이크로볼로미터 및 관련 제조 방법 - Google Patents

Abstract

저 열용량 마이크로볼로미터 및 관련 제조 방법
본 발명은 서포트 아암(14a 내지 14h)에 의해 기판 상에 현가 조립된 멤브레인(11a)을 집적하는 적외선 이미징 마이크로볼로미터(10a)에 관한 것이다.
상기 멤브레인(11a)은:
적외선 방사선을 포착하도록 구성된 흡수재(13a);
상기 흡수재(13a)에 의해 포착된 적외선의 변환을 수행하도록 구성된, 상기 흡수재(13a)에 연결된 온도 측정 재료(12); 및
상기 흡수재(13a)와 상기 온도 측정 재료(12) 사이에 배열된 적어도 하나의 중앙 유전체 층(18)을 포함한다.
상기 흡수재(13a)에 그리고 상기 온도 측정 재료(12)가 없는 상기 멤브레인(11a) 영역의 적어도 하나의 중앙 유전체 층(18)에 리세스(20)가 형성된다.

Description

저 열용량 마이크로볼로미터 및 관련 제조 방법

본 개시는 전자기 방사선의 검출 분야에 관한 것으로, 보다 정확하게는 적외선 방사선(infrared radiation)의 검출에 관한 것이다. 본 발명은 한편으로는 이에 의해 영향을 받는 적외선 플럭스의 흡수가 없는 낮은 열용량을 갖는 멤브레인을 갖는 마이크로볼로미터의 구조 및 다른 한편으로는 관련된 형성 방법에 관한 것이다.

적외선 이미징을 위해 구현된 검출기 분야에서, 매우 낮은 온도에서의 작동을 요하는 "양자 검출기(quantum detector)"로 불리는 검출 장치와 정 반대로, 상온에서 작동하는, 즉, 매우 낮은 온도로 냉각할 필요가 없는, 어레이에 배열된 장치를 사용하는 것이 알려져 있다.

이러한 검출기는 통상적으로 약 300K인 온도에 따른 적절한 재료 또는 재료의 조립체의 물리량의 변화를 사용한다. 현재 가장 많이 사용되는 마이크로볼로메트릭 검출기의 특정한 경우, 이 물리량은 전기 저항률이되, 유전 상수, 바이어싱, 열 팽창, 굴절률 등과 같은 다른 양이 사용될 수 있다.

이러한 비냉각식 감지기는 일반적으로:

- 열 복사(thermal radiation)를 흡수하여 이를 열로 변환하기 위한 수단;

- 열 복사의 작용으로 감지기가 가열될 수 있도록 감지기를 단열하기 위한 수단;

- 마이크로볼로메트릭 검출기의 맥락에서 온도에 따라 저항이 변하는 저항 소자를 사용하는 온도 측정 수단; 및

- 상기 온도 측정 수단에 의해 공급되는 전기 신호를 판독하기 위한 수단과 관련된다.

열화상 또는 적외선 화상용 감지기는 일반적으로 1차원 또는 2차원에서 이미지 포인트 또는 픽셀을 형성하는 기본 감지기 어레이의 형태로 제조된다. 감지기의 단열을 보장하기 위해 감지기는 서포트 아암을 통해 기판 위에 현가되어 있다.

기판은 일반적으로 기본 검출기의 순차적인 어드레싱 수단 및 전기 여기 수단 및 기본 검출기로부터 생성된 전기 신호의 사전 처리 수단을 포함한다. 기판 및 집적 수단은 일반적으로 "판독 회로"라는 용어로 지정된다.

이러한 유형의 감지기를 통해 장면을 얻기 위해, 상기 장면은 기본 감지기 어레이의 적응된 광학 시스템을 통해 캡처되고 정격 전기 자극은 판독 회로를 통해 각각의 기본 감지기에 또는 이러한 감지기의 각 행에 적용되어서 상기 기본 감지기의 각각에 도달되는 온도의 이미지를 형성하는 전기 신호를 획득한다. 이 신호는 판독 회로에 의해 다소 정교하게 처리되어 패키지 외부의 전자 장치에 의해 처리되어 관찰된 장면의 열화상을 생성할 수 있다.

보다 정확하게는, 기본 검출기는 기판 위의 고정된 서스펜션에 고정된 적어도 하나의 얇은 멤브레인으로 형성된다. "얇은" 멤브레인은 일반적으로 0.1 내지 0.5 마이크로미터 정도의 총 두께를 갖는 멤브레인에 해당한다.

멤브레인은 적외선 방사선의 변환을 수행하여 온도 측정 수단을 형성하는 온도 측정 재료를 집적한다. 온도 측정 재료의 부피는 열 저항을 측정하는 동안 신호 대 잡음 비를 조정할 수 있다.

온도 측정 재료의 열 저항 측정은 온도 측정 재료 아래에서 그리고 서포트 아암에서 연장되는 금속과 같은 흡수재에 의해 수행된다. 온도 측정 재료를 가로질러 신호를 읽는 것 외에도 흡수재는 적외선 플럭스를 흡수하여 온도 측정 재료에 전달하는 기능도 가지고 있다. 흡수된 적외선의 양은 이 흡수체의 표면적에 따라 다르다.

적외선 방사선의 흡수를 최적화하기 위해 흡수재는 픽셀 풋프린트의 최대 표면적을 덮는다. 실제로 표면적은 멤브레인의 표면적에 의해 제한된다. 흡수재의 두께는 제곱당 유효 임피던스가 진공의 임피던스에 맞게 조정된다: Z₀ = 377 ohms. 흡수체는 표면적을 최대화하기 위해 일반적으로 고체이므로 흡수체 층의 제곱 임피던스는 Z₀와 같다. 흡수체가 "tau"와 동일한 충전율을 갖는 서브-람다 패턴, 예를 들어 금속 패드의 패턴 또는 금속층의 홀 패턴을 갖는, 어레이로 형성되는 경우, 흡수체를 형성하는 금속층의 임피던스 Z₀/tau와 같다. 따라서 이 임피던스의 조정은 금속층의 두꺼워짐에 의해 수행된다.

온도 측정 재료와 금속 흡수재 사이의 전기적 절연을 보장하기 위해 이 두 재료 사이에 유전체 층이 배치된다. 2개의 다른 유전체 층이 멤브레인의 양쪽에 배치되어 서로 다른 재료 사이의 기계적 결합과 보호를 보장할 수 있다.

예를 들어, 멤브레인은, 30 나노미터 두께를 갖는 제1 실리콘 질화물 유전체 층, 8 나노미터 두께를 갖는 티타늄 질화물 흡수재, 30 나노미터 두께를 갖는 제2 실리콘 질화물 유전체 층, 100 나노미터 두께를 갖는 비정질 실리콘 유전 재료 및 30 나노미터 두께를 갖는 제3 실리콘 질화물 유전 재료의 스택으로 형성될 수 있다. 따라서 멤브레인의 두께는 0.198마이크로미터이다. 물론 재료는 변경될 수 있으며, 예를 들어 흡수재는 티타늄 또는 백금으로 만들어질 수 있다.

멤브레인은 멤브레인과 기판 사이의 단열 및 홀딩을 보장하는 서포트 아암을 통해 현가 홀딩된다(held in suspension). 이러한 서포트 아암은 또한 판독 회로의 표면에 형성된 접점과 멤브레인의 전기 활성 부분 사이의 전기적 연결을 보장한다. 일반적으로 두 개의 전기 링크가 온도 측정 수단의 저항 값을 감지하고 이 값을 판독 회로로 전송하기에 충분하기 때문에 멤브레인은 두 개의 서포트 아암으로 고정된다. 관찰된 장면의 온도를 효율적으로 감지하기 위해 하나 또는 복수의 기둥에 의해 상부 멤브레인과 하부 멤브레인이 결합된 복수의 적층된 멤브레인을 사용하는 것은 드문 일이 아니다.

그러나 현가된 요소의 질량은 검출기의 성능, 특히 신호 대 잡음비와 시상수에 영향을 미친다.

본 발명에 따르면, 신호 대 잡음비는 검출기가 측정 가능한 응답을 생성할 수 있는 장면의 가장 작은 온도 변화를 나타내는 양이다. 신호 대 잡음비는 현재 mK로 표시된다. 시상수는 입사 적외선 전력의 변화 동안 감지기가 열적 균형에 도달하는 데 필요한 시간과 관련이 있다. 시상수는 ms로 표시된다.

멤브레인의 질량은 볼로미터의 시상수에서 작동하는 주요 매개변수 중 하나인 열용량 C_th(또는 열 질량)와 밀접하게 연결되어 있다. 실제로, T_th로 표시된 시상수는 멤브레인의 열 저항 R_th에 열용량 C_th를 곱한 것과 같다. 따라서 등가 열저항에 대해 멤브레인의 열용량 증가는 필연적으로 볼로미터의 시간 정수 증가를 유도한다. 후자는 열 저항의 감소에 의해 보상될 수 있지만 후자는 열 저항에 정비례하기 때문에 신호 대 잡음 비율이 낮아진다.

따라서 볼로미터를 설계하려면 신호 대 잡음비와 시상수 사이에서 허용 가능한 트레이드오프를 식별해야 하며 이 트레이드오프는 열 저항 및 열 용량 값에 의해 크게 좌우된다.

실제로, 장면의 사건의 빠른 속도에 비해 너무 낮은 시상수를 갖는 검출기를 사용하면, 예를 들어 관찰 대상의 드래그, 흐릿함 또는 변형 현상의 발생과 같은 이미지의 열화가 발생한다. 일반적으로 앞서 설명한 멤브레인을 사용하면 10ms 정도의 시상수를 얻을 수 있다. 또한, 볼로메트릭 감지기, 특히 원격 탐지 및 표적 식별을 위한 모든 방위 응용 분야에서 신호 대 잡음비 결함이 있는 경우가 많이 있다.

신호 대 잡음비와 시상수 사이의 트레이드오프에 대한 제약을 줄이는 확실한 솔루션은 멤브레인의 열 용량을 줄이는 것을 포함하지만 제약이 있다.

실제로 멤브레인의 두께를 줄임으로써 열용량을 줄이는 것이 가능하다. 그러나 기계적 유지의 이유로 멤브레인의 두께는 0.1마이크로미터에 가까운 제한 두께 아래로 감소될 수 없다. 또한, 멤브레인의 측면 치수를 줄이는 것이 예상될 수 있지만 이 솔루션은 흡수체의 수집 표면적 감소와 관련된 흡수 결핍을 유발한다. 검출기의 신호 대 잡음비는 흡수에 정비례하므로 더욱 감소한다.

따라서 본 발명의 기술적 문제는 적외선 흐름의 흡수 저하를 제한하면서 마이크로볼로미터의 멤브레인의 열용량을 감소시키는 것을 목표로 한다.

본 발명은 감소된 체적의 온도 측정 재료를 통합하는 멤브레인을 구현함으로써 이러한 기술적 문제를 해결하는 것을 제공한다. 보다 정확하게는, 본 발명은 흡수재의 표면적보다 작은 표면적을 따라 연장되는 온도 측정 재료를 갖는 멤브레인을 제공한다. 물론 온도 측정 재료의 부피를 줄이기 위해 두께를 줄이는 것도 가능하다.

온도 측정 재료의 표면적의 감소는 온도 측정 재료가 배열된 표면 앞에 있지 않은 멤브레인 부분에 리세스를 형성하는 것을 가능하게 한다. 리세스가 형성되는 부분은 흡수재 및 흡수재와 온도 측정 재료 사이에 배열된 적어도 하나의 유전체 층을 포함한다.

리세스 수준에서 흡수재를 제거하는 것 외에도 유전체 층도 이 레벨에서 제거되어 멤브레인의 질량이 감소하여 시상수가 증가한다.

따라서, 제1 측면에 따르면, 본 발명은 서포트 아암에 의해 기판 위에 현가 조립된 멤브레인을 통합하는 적외선 이미징 마이크로볼로미터에 관한 것이며, 상기 멤브레인은:

- 적외선 방사선을 포착하도록 구성된 흡수재;

- 상기 흡수재에 의해 포착된 적외선의 변환을 수행하도록 구성된, 상기 흡수재에 연결된 온도 측정 재료; 및

- 상기 흡수재와 상기 온도 측정 재료 사이에 배열된 적어도 하나의 중앙 유전체 층을 포함한다.

본 발명은 상기 온도 측정 재료의 표면이 상기 멤브레인의 표면적의 0.4배보다 작은 것, 그리고 상기 흡수재에 그리고 상기 온도 측정 재료가 없는 상기 멤브레인 영역의 적어도 하나의 중앙 유전체 층에 리세스가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 온도 측정 재료의 작은 부피와 흡수재 및 유전체 층의 리세스의 존재로 인해 멤브레인의 질량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 멤브레인은 일정하거나 더 약간 감소된 열 저항에 대해 종래 기술의 마이크로볼로미터의 멤브레인보다 더 낮은 열 용량을 갖는다. 그 결과, 신호 대 잡음비가 등가인 기존 멤브레인에 비해 시상수가 향상된다. 시상수의 이러한 감소는 본 발명에 따른 마이크로볼로미터를 통합하는 검출기에 의해 초당 획득될 수 있는 이미지의 수를 증가시킨다.

본 발명에 따르면, 기존 멤브레인과 동일한 시상수를 유지하면서 신호 대 잡음비를 증가시키는 것도 가능하다. 이 경우 열 저항이 증가한다.

또한, 리세스 또는 천공이 없는 온도 측정 재료를 사용하면 온도 측정 재료에 의해 수행되는 변환 품질을 보장할 수 있다. 볼로메트리에 사용되는 온도 측정 재료는 노이즈를 나타내며 그 기여는 주파수 노이즈이다. 후자는 재료의 부피에 반비례하여 증가하므로 부피가 작은 온도계에서 우세할 수 있다.

따라서, 본 발명의 맥락에서, 온도계의 치수는 멤브레인의 열용량의 강한 감소 및 주파수 잡음의 무시할 수 있는 증가를 허용하도록 조정된다.

일 실시예에 따르면, 온도 측정 재료는 흡수재 위에 퇴적된다. 온도 측정 재료 전에 흡수재를 퇴적한다는 사실은 이 퇴적 단계가 앵커 네일과 온도 측정 재료 사이의 서포트 아암에 존재하는 전극을 형성할 수 있게 한다. 온도 측정 재료가 흡수재 아래에 퇴적되면 앵커 네일과 서포트 아암에 있는 전극 사이의 전기 연결은 더 큰 재료 층이 교차해야 하므로 형성하기가 더 복잡하다.

온도 측정 재료 위에 리세스를 갖는 제2 흡수재를 배열하는 것도 가능하다. 이 실시예는 흡수재의 많은 부분이 온도 측정 물질이 존재하는 멤브레인 부분으로부터 제거될 때 특히 바람직하다.

또한, 온도 측정 재료 아래의 흡수재에 추가 리세스가 형성될 수 있다. 이 실시예는 더 큰 표면적에서 흡수체의 광학적 결합을 최적화하는 것을 가능하게 한다. 이 실시예에서, 유전체 층은 온도 측정 재료의 지지를 보장하기 위해 온도 측정 재료가 존재하는 멤브레인의 영역에서 개방 가공되지 않는다.

바람직하게는, 온도 측정 재료는 바나듐 산화물 또는 티타늄 산화물로 만들어지며, 온도 측정 재료의 표면적 감소가 마이크로볼로미터의 출력 신호 품질에 악영향을 미치지 않도록 한다.

온도 측정 재료를 캡슐화하고 부동태화하기 위해 온도 측정 재료 위에 퇴적된 상부 유전체 층을 제공하는 것이 종종 바람직하다. 이 상부 유전체 층은 멤브레인의 전체 표면을 가로질러 연장될 수 있고 리세스는 멤브레인의 질량을 제한하기 위해 이 상부 유전체 층을 통해 또한 형성될 수 있다. 또한, 흡수재는 또한 흡수재 아래에 배열된 하부 유전체 층의 사용에 의해 보호될 수 있다. 이 실시예에서, 리세스는 바람직하게는 멤브레인의 질량을 추가로 제한하기 위해 이 하부 유전체 층을 통해 형성된다. 이러한 유전체 층은 멤브레인과 서포트 아암의 기계적 강도를 보장한다. 이러한 유전체 층의 두께는 부유 질량을 더욱 감소시키고 온도 응답 시간을 개선하기 위해 최소로 감소될 수 있다.

그러나 이러한 유전체 층이 얇아지면 서포트 아암에 의한 멤브레인의 기계적 유지 문제가 있을 수 있다.

일 실시예에 따르면, 멤브레인은 한편으로는 멤브레인에, 다른 한편으로는 기판에 견고하게 부착된 4개의 앵커 네일에 결합된 4개의 서포트 아암에 의해 지지되어 기계적 안정성을 개선하고 유전체 층의 보다 현저한 시닝(thinning)을 가능하게 한다. 예를 들어, 이 실시예에서, 스택을 형성하는 층의 두께는 하부, 중앙 및 상부 유전체에 대해 10 나노미터, 흡수재 층에 대해 7 나노미터일 수 있으므로 서포트 아암의 총 두께 37나노미터와 같다. 반대로 두 개의 서포트 아암이 있는 픽셀 형상의 경우 멤브레인의 기계적 안정성으로 인해 훨씬 더 두꺼운 두께, 즉 80나노미터보다 더 두꺼워진다.

유리하게는, 신호 대 잡음비가 변경되지 않은 볼로미터의 시상수의 감소에 대해 온도 측정 재료의 표면적은 멤브레인 표면적의 0.1배보다 크다. 실제로, 온도 측정 재료의 표면적이 너무 작거나 특히 멤브레인 표면적의 0.1배보다 작으면 접촉 영역의 크기 및 온도 측정 재료의 패턴 형성과 관련된 기술적인 문제가 있다.

또한, 변화하지 않은 시상수로 마이크로볼로미터의 신호 대 잡음비를 증가시키는 것이 목적일 때, 멤브레인의 표면적에 대한 온도 측정 재료의 표면적의 비율은 유리하게는 동일한 10% 값에서 40% 값 사이에 있다. 10%보다 작으면 공칭 시상수와 최적의 감도를 얻기 위해 필요한 열 저항은 최신 기술에서 사용되는 열 저항의 3배 이상으로 현재 기술로는 현실적이지 않다. 이 비율이 40%보다 크면 잠재적인 감도 이득이 더 작아진다.

예를 들어, 17x17㎛ 픽셀의 경우 멤브레인의 표면적이 16x16㎛, 즉 256㎛²일 수 있다. 본 발명에 따르면, 온도 측정 재료의 표면적은 멤브레인 표면적의 0.4배 미만, 즉 76.8㎛² 미만이어야 한다. 따라서 측면 길이가 8㎛, 즉 표면적이 64㎛²인 정사각형 모양의 온도 측정 재료를 사용할 수 있다.

마이크로볼로미터의 멤브레인 제조는 일반적으로 희생층에서 수행되어 이 희생층을 제거하면 멤브레인이 기판 위에 현가될 수 있다.

멤브레인을 형성하는 제1 단계는 희생층 상에 하부 유전체 층을 퇴적하는 단계를 포함한다. 그런 다음 흡수재가 이 하부 유전체 층에 퇴적된다. 그 다음, 중앙 유전체 층은 흡수재 상에 퇴적되어 온도 측정 재료로부터 흡수재를 전기적으로 절연시킨다. 그런 다음 중앙 유전체 층을 통해 접촉 개구부가 형성된다.

그 다음 온도 측정 재료는 중앙 유전체 층과 접촉 개구에 국부적으로 퇴적되어 온도 측정 재료를 흡수재와 전기 및 열적으로 연결한다. 예를 들어, 온도 측정 재료의 퇴적 후에 포토리소그래피 및 에칭 단계가 수행되어 온도 측정 재료의 표면적이 흡수재의 표면적보다 작도록 구조화된다.

온도 측정 재료가 퇴적되고 구조화될 때 서포트 아암뿐만 아니라 각 마이크로볼로미터의 윤곽을 정의하는 에칭 단계를 수행하기 전에 온도 측정 재료에 유전체 재료의 상부 층을 퇴적하는 것이 좋다. 이 단계에서 온도 측정 재료 영역 외부에 위치한 멤브레인 부분을 속이 비게할 수 있다.

또한, 온도 측정 재료 이전에 흡수재를 퇴적한다는 사실은 또한 이 퇴적 단계가 앵커 네일과 온도 측정 재료 사이의 서포트 아암에 존재하는 전극을 형성할 수 있게 한다. 온도 측정 재료가 흡수재 아래에 퇴적되면 앵커 네일과 서포트 아암에 있는 전극 사이의 전기 연결은 더 큰 재료 층이 교차해야 하므로 형성하기가 더 복잡하다.

따라서, 본 발명은 추가 단계를 수행할 필요가 없기 때문에 제조 공정을 크게 복잡하게 하지 않으면서 멤브레인의 질량을 제한할 수 있다.

본 발명은 이미징 마이크로볼로미터의 모든 알려진 치수, 특히 17-㎛ 피치 또는 12-㎛ 피치를 갖는 픽셀을 형성하는 이미징 마이크로볼로미터에 대해 구현될 수 있다.

본 발명은 이하의 상세한 설명을 읽으면 잘 이해될 것이며, 그 세부 사항은 단지 예로서 제공되고 동일한 참조가 동일한 요소에 관한 첨부 도면과 관련하여 전개된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미징 마이크로볼로미터의 평면 사시도이다.
도 2는 도 1의 마이크로볼로미터의 멤브레인의 평면도이다.
도 3은 축 A-A를 따른 이 멤브레인의 연속적인 단면도를 갖는 도 1의 멤브레인의 흐름도이다.
도 4는 도 1의 마이크로볼로미터의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미징 마이크로볼로미터의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미징 마이크로볼로미터의 단면도이다.
도 7은 멤브레인의 표면적과 온도 측정 재료의 표면적의 비율에 따른 도 1의 마이크로볼로미터의 열 용량 및 신호 대 잡음 비의, 일정한 열 저항에 대한, 변화의 개략적인 표현이다.
도 8은 멤브레인의 표면적과 온도 측정 재료의 표면적의 비율에 따른 도 1의 마이크로볼로미터의 열 용량 및 신호 대 잡음 비의, 특정 시상수에 대한, 변화의 개략적인 표현이다.
도 9는 두께 및 이를 형성하는 패턴의 다양한 반복 피치에 따른 흡수층의 흡수 효율의 단순화된 표현이다.

도 1은 멤브레인(11a)의 변형을 시뮬레이션하는 동안 본 발명에 따른 이미징 마이크로볼로미터(10a)를 도시한다. 이 멤브레인(11a)은 기판(30) 위에 현가 조립된다. 이를 위해 4개의 앵커 네일(15a 내지 15d)이 기판(30)에 부착되고 거기에 수직으로 연장된다. 도 1에 설명된 예는 비제한적이며 본 발명은 2개의 앵커 네일과 2개의 서포트 아암으로만 구현될 수 있다. 도 1의 구조는 4개의 앵커 네일(15a 내지 15d) 및 4개의 지지 아암(14a 내지 14h)을 사용하여 기계적 변형을 제한함으로써 멤브레인(11a)을 얇게 할 수 있고 따라서 결과적으로 그 질량을 감소시킬 수 있기 때문에 유리하다.

각각의 서포트 아암(14a 내지 14h)은 2개의 서포트 아암(14a 내지 14h)에 공통인 베어링(16a 내지 16b)에 의해 결합된 2개의 부분으로 형성된다. 보다 정확하게는, 제1 서포트 아암의 제1 부분(14a)은 멤브레인(11a)의 좌측 상단에 위치한 앵커 네일(15a)에 결합되고, 이 제1 부분(14a)은 멤브레인(11a)의 좌측에 배치된 베어링(16a)에 연결된다.

이 제1 부분(14a)과 평행하게, 제2 부분(14e)이 베어링(16a)으로부터 연장되어 멤브레인(11a)의 상부 좌측 코너에 도달한다. 이 베어링(16a)은 또한 제2 암의 제1 부분(14b)에 의해 제2 앵커 네일(15b)에 결합된다. 이 제2 암의 제2 부분(14f)은 이 제2 암의 제1 부분(14b)과 평행하게 연장되어 멤브레인(11a)의 좌측 하단 코너에 도달한다. 유사하게, 멤브레인(11a)의 우측에서, 제3 서포트 아암의 제1 부분(14c)은 제3 앵커 네일(15c)과 베어링(16b) 사이에서 연장된다. 이 제3 암의 제2 부분(14g)은 이 제3 암의 제1 부분(14c)과 평행하게 연장되어 멤브레인(11a)의 상부 우측 코너에 도달한다. 마지막 서포트 아암은 베어링(16b)과 마지막 앵커 네일(15d) 사이에서 연장되는 제1 부분(14d)과 베어링(16b)과 멤브레인(11a)의 우측 하단 모서리 사이에서 이 제4 서포트 아암의 제1 부분에 평행하게 연장되는 제2 부분(14h)에 의해 형성된다. 따라서 멤브레인(11a)은 이러한 4개의 모서리에 의해 현가되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 멤브레인(11a)은 희생층(31) 상에 하부 유전체 층(17)을 퇴적하는 단계(50)에 의해 형성될 수 있다. 이러한 하부 유전체 층(17)은 본 발명을 수행할 필요는 없되 희생층(31)의 제거 시에 흡수재(13a)를 보호할 수 있다.

예를 들어, 멤브레인(11a)을 형성하기 위해 사용되는 유전체 층(17 내지 19)은 실리콘 질화물로 만들어질 수 있다. 도 1 및 도 2의 예에서, 이러한 유전체 층(17 내지 19)은 반투명하고 온도 측정 재료(12) 및 흡수재(13a)를 관찰할 수 있게 한다.

하부 유전체 층(17)의 퇴적 후에, 멤브레인(11a)의 제조 방법은 흡수재(13a)의 퇴적 단계(51)를 포함한다. 이 단계는 흡수재(13a)의 두 부분에 의해 형성된 두 전극을 전기적으로 분리하기 위해 하나 또는 복수의 개구(21a)를 생성함으로써 흡수재(13a)를 구조화하는 것을 포함한다. 도 3의 예에서, 단일 개구(21a)가 생성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 흡수재(13a)는 바람직하게는 멤브레인(11a)의 길이 및 폭과 동일한 길이(Lo) 및 폭(La)을 갖는다. 따라서, 멤브레인(11a)의 전체 표면에 걸쳐 흡수재(13a)의 퇴적이 형성된다. 흡수재(13a)는 통상적으로 티타늄 질화물과 같은 금속성이다. 흡수재(13a)의 퇴적 후, 온도 측정 재료(12)의 흡수재(13a)를 전기적으로 절연하기 위해 단계(52) 동안 중앙 유전체 층(18)의 퇴적이 수행된다. 이 중앙 유전체 층(18)은 흡수재(13a)의 전체 표면 위에 퇴적된다. 이 중앙 유전체 층(18)은 또한 흡수재(13a)와 온도 측정 재료(12) 사이의 전기적 접촉을 얻기 위해 적어도 2개의 개구(25)를 형성하도록 구성된다.

멤브레인(11a)을 형성하는 방법은 중앙 유전체 층(18) 및 개구(25)에 온도 측정 재료(12)를 퇴적하는 단계(53)를 계속한다. 이러한 퇴적 단계는. 온도 측정 재료(12)가 통상적으로 중앙 전기 층(18)의 전체 표면이 아닌 그 일부 위에서만 배열되므로 본 발명에 해당된다.

예를 들어, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 온도 측정 재료(12)는 멤브레인(11a)의 길이(Lo) 및 폭(La)을 중심으로 하는 직육면체 표면에 퇴적될 수 있다. 변형으로서, 온도 측정 재료(12)의 다른 형상 및 다른 위치 설정이 가능하다.

그러나 온도 측정 재료(12)의 중앙 위치는 멤브레인(11a)을 지지하기 위해 서포트 아암(14a 내지 14h)에 필요한 저항의 계산을 단순화할 수 있다.

온도 측정 재료(12)는 비정질 실리콘과 같은 모든 공지된 재료로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 온도 측정 재료(12)는 이미징 마이크로볼로미터의 신호 대 잡음비를 너무 강하게 저하시키지 않으면서 표면적을 가능한 많이 감소시킬 수 있도록 바나듐 산화물 또는 티타늄 산화물로 제조된다. 온도 측정 재료(12)의 표면적은 예를 들어 멤브레인(11a)의 표면적의 10% 내지 40% 범위일 수 있다.

온도 측정 재료(12)의 국부 퇴적 후, 단계(54)에서 상부 유전체 층(19)을 퇴적하여 온도 측정 재료(12)를 보호하는 것이 바람직하다. 상부 유전체 층(19)은 온도 측정 재료(12)와 중앙 유전체 층(18) 모두에 퇴적되어 멤브레인(11a)의 전체 표면을 덮는다.

온도 측정 재료(12)의 표면적 감소는 온도 측정 재료(12) 앞에 배열되지 않은 멤브레인(11a) 부분을 통해 리세스(20)를 형성할 수 있게 한다.

바람직하게는, 이러한 리세스(20)의 형성은 지지 아암(14a 내지 14h)을 구조화하고 그리고 이미징 볼로미터(10a)의 범위를 정하는 단계(55) 동안 수행된다. 이미징 마이크로볼로미터(10a)의 범위를 정하는 것은 검출기가 상이한 픽셀을 형성하는 이미징 마이크로볼로미터(10a)의 어셈블리로 형성될 때 픽셀을 서로 분리하는 것을 목표로 한다.

멤브레인(11a)을 형성하는 마지막 단계(56)는 기판(30) 위에 멤브레인(11a)을 현가하기 위해 희생 층(31)을 제거하는 것을 포함한다.

리세스(20)는 다양한 패턴을 취할 수 있지만, 광의 두 편광에 대한 검출기의 둔감성을 보장하기 위해 멤브레인(11a) 평면에 수직인 축을 중심으로 90° 회전한 후에 반복 패턴의 기하학적 구조가 변경되지 않는 것이 바람직하다. 흡수재(13a)의 두께는 리세스(20)가 형성되는 멤브레인 부분의 충전율에 따라 결정되어야 한다.

또한, 이러한 리세스(20)는 바람직하게는 흡수재(13a)에 의해 원하는 파장보다 훨씬 작은 길이(C)의 피치(P)를 갖는 어레이 네트워크의 형태로 구성된다.

전형적으로, 도 1 및 도 2에 도시된 리세스(20)는 0.7 내지 1.2 마이크로미터 범위의 길이(C)를 갖는 정사각형 형상이다. 이들 리세스(20)는 0.6 내지 1.2 마이크로미터 범위의 피치(P)를 갖는 어레이 네트워크의 형태로 구성된다.

도 9는 두께(ep_abs)에 따라, 그리고 0.5 내지 4 마이크로미터로 변하는 상이한 반복 피치에 따라 주기적 패턴으로 형성된 흡수재 층(13a)의 흡수 효율을 도시한다. 이러한 결과는 흡수재(13a)의 주기적 패턴이 10 마이크로미터 파장에 대해 300나노미터 측면 길이를 갖는 수평 및 수직 브랜치가 있는 십자형인 시뮬레이션에서 비롯된다. 도 9는 이 네트워크의 두 패턴 사이의 피치가 유리하게는 0.5 내지 3 마이크로미터 범위에 있고; 이 경우 흡수체의 두께를 조정하면 10마이크로미터 파장에서 85% 이상의 흡수 효율이 가능함을 도시한다.

흡수재(13a) 및 유전체 층(17 내지 19) 내에 형성된 리세스의 표면적의 증가는 멤브레인(11a)의 질량을 제한할 수 있게 한다. 그러나, 이러한 증가는 또한 유전체 층(17 내지 19)에 의해 제공되는 기계적 저항 뿐만 아니라 흡수재(13a)의 포착 용량(capture capacity)을 감소시킨다. 만족스러운 포착 특성을 유지하기 위해 리세스는 흡수재(12)에 대한 관심 파장보다 작은 피치를 갖는 어레이로 배열된다.

따라서, 온도 측정 재료(12)가 차지하는 영역 외부의 흡수재(13a) 내에 형성된 리세스의 존재로 인해, 33%의 충전율을 갖는 흡수재(13a)의 위의 수치 예의 경우 흡수재(13a)는 대략 18 나노미터의 두께를 가져야 한다. 다시 말해서, 이 두께는 온도 측정 재료(12)의 앞에 또는 수직으로 위치한 흡수재(13a)의 최적 두께보다 커야 하며, 이는 이 수준에서 위에서 언급한 바와 같이 흡수재(13a)가 이 특정 영역에 리세스를 포함하지 않기 때문에 8 나노미터 정도가 될 것이다. 반대의 경우, 흡수재(13a)의 적응은 효율적이지 않다.

이 문제를 제거하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 리세스(21b)의 어레이로 온도 측정 재료(12) 영역에서 흡수재(13b)만을 천공하는 것이 가능하다. 따라서, 도 5의 실시예에서, 유전체 재료(17 내지 19)의 층은 온도 측정 재료(12)가 존재하는 멤브레인(11b)의 부분에서 천공되지 않는다. 멤브레인(11b)의 질량에 얻어진 이득은 미미하지만, 이 실시예는 온도 측정 재료(12)가 존재하는 멤브레인(11b)의 부분, 일반적으로 12-18 나노미터에 적응하도록 규정된 금속 두께를 갖는 엄격하게 균일하고 최적화된 흡수를 갖는 마이크로 볼로미터(10b)를 얻을 수 있게 한다.

또한, 도 5의 실시예는 또한 도 4의 실시예와 비교하여 상부 유전층(19)을 사용하지 않는 것을 제공한다. 변형으로서, 상부 유전층(19)은 또한 도 4의 실시예에서 제거되거나 도 5의 실시예에 추가될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 큰 표면적을 갖는 리세스(21c)를 갖는 온도 측정 재료(12)의 영역으로부터 흡수 재료(13c)의 많은 부분을 제거하는 것도 가능하다. 흡수 재료(13c)의 유일한 나머지 부분은 온도 측정 재료(12)와의 연결부(25)를 형성할 수 있게 하는 것이다. 이 실시예에서, 마이크로볼로미터(10c)는 또한 온도 측정 재료(12) 하에서 흡수재의 부족을 극복하기 위해 온도 측정 재료(12) 위에 배열된 추가 흡수 재료(26)를 통합하는 멤브레인(11c)을 포함한다. 이러한 추가 흡수 재료(26)는 또한 온도 측정 재료(12)를 천공하지 않고 천공된다.

따라서, 도 4 및 도 6의 실시예에서, 흡수재(13a, 13c)는, 적응이 온도 측정 재료(12)의 표면 앞에 있지 않은 멤브레인(11a 내지 11c) 부분에서만 최적화되더라도, 즉, 흡수 재료의 두께가 18nm 정도인 경우, 적외선 방사선을 효율적으로 포착한다. 도 5의 실시예에서, 멤브레인(11b)의 질량에 생성된 이득은 무시할 수 있지만, 이 실시예는 온도 측정 재료(12)가 존재하는 멤브레인(11b)의 부분에 적응하도록 정의된 금속 두께로 엄격하게 균일하고 최적화된 흡수를 갖는 마이크로볼로미터(10b)를 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명은 특히 작은 질량을 갖는 멤브레인(11a 내지 11c)을 얻을 수 있게 하여, 이 멤브레인의 열용량을 향상시킨다.

도 7은 동일한 열 저항 값(R_th)에 대해 도 1 내지 도 4의 신호 대 잡음비에 따른 마이크로볼로미터(10a)의 신호 대 잡음비(SNR이라고도 함)의 변화를 도시한다. 도 7은 S_membrane으로 표시되는 멤브레인(11a)의 표면적과 S_therm으로 표시되는 온도 측정 재료(12)의 표면적의 비율에 따른 멤브레인(11a)의 열용량(C_th)의 변화를 도시한다.

10%에서 40% 범위의 S_therm/S_membrane 비율에 대해, 마이크로볼로미터(10a)의 SNR은 6%에서 25% 범위에서 상대적으로 가벼운 열화를 나타내는 반면 멤브레인(11a)의 열용량(C_th)는 46%에서 68%로 감소한다. 따라서, 본 발명은 마이크로볼로미터(10a)의 신호 대 잡음비보다 멤브레인(11a)의 열용량(C_th)을 더 강하게 감소시킬 수 있다. 도 7은 또한 본 발명이 최신 기술에 가까운 신호 대 잡음비와 관련된 낮은 시상수에 도달할 수 있다는 사실을 도시한다.

또한, 낮은 시상수를 유지하면서, 예를 들어 열 저항의 조정에 의해 최신 기술과 동일한 신호 대 잡음비 값을 얻는 것이 가능하다. 마지막으로, 온도 측정 재료(12)의 개발은 현재 높은 신호 대 잡음비를 갖는 재료를 가질 수 있게 하며, 이는 온도 측정 재료(12)의 부피 감소와 관련된 감도 손실을 보상하기 위한 추가 레버이다.

도 8은 동일한 시상수 값에 대해, 따라서 상이한 열 저항 값(R_th)에 대해, 비율 S_therm/S_membrane에 따른 멤브레인(11a)의 열용량(C_th)의 신호 대 잡음비와 마이크로볼로미터(10a)의 신호 대 잡음비의 변화를 도시한다. 이러한 도 8은 열 저항(R_th)의 증가와 결합된 본 발명이 최신 기술에 가까운 시상수와 고감도의 검출기를 형성할 수 있다는 사실을 예시한다. 예를 들어, S_therm/S_membrane 비율이 30%인 온도 측정 재료(12)의 경우 저항이 상향 조정되면 마이크로볼로미터(10a)의 신호 대 잡음비가 두 배가 될 수 있다.

본 발명은 바나듐 산화물 온도 측정 재료(12)와 도 3에 도시된 바와 같은 3개의 유전체 층(17 내지 19)의 사용으로 테스트되었다. 멤브레인(11)의 표면에 대한 온도 측정 재료(12)의 표면적의 비율은 실질적으로 20%이고, 리세스(20)는 0.8 마이크로미터 길이 및 1.2 마이크로미터 피치로 형성되었다. 이러한 테스트를 통해 3ms 정도의 온도 응답 시간을 강조할 수 있었으며, 이는 10ms 정도의 온도 응답 시간과 최신 기술에 따른 감도를 갖는 종래 기술의 이미징 마이크로볼로미터에 비해 크게 개선된 것이다.

따라서, 본 발명에 의해 얻어진 이득은 매우 높으며, 빠른 이미지의 포착 또는 장면에서 요소의 보다 효율적인 추적과 같은 이미징 마이크로볼로미터를 위한 새로운 응용을 구상할 수 있다.

Claims (12)

1. 서포트 아암(14a 내지 14h)에 의해 기판(30) 위에 현가 조립된(assembled in suspension) 멤브레인(11a 내지 11c)을 통합하는 적외선 이미징 마이크로볼로미터(10a 내지 10c)로서, 상기 멤브레인(11a 내지 11c)은:
   

   

   적외선 방사선을 포착하도록 구성된 흡수재(13a 내지 13c);
   

   

   상기 흡수재(13a 내지 13c)에 의해 포착된 적외선의 변환을 수행하도록 구성된, 상기 흡수재(13a 내지 13c)에 연결된 온도 측정 재료(12); 및
   

   

   상기 흡수재(13a 내지 13c)와 상기 온도 측정 재료(12) 사이에 배열된 적어도 하나의 중앙 유전체 층(18)을 포함하고;
   

   

   상기 온도 측정 재료(12)의 표면이 상기 멤브레인(11a 내지 11c)의 표면적의 0.4배보다 작은 것, 그리고
   

   

   상기 흡수재(13a 내지 13c)에 그리고 상기 온도 측정 재료(12)가 없는 상기 멤브레인(11a 내지 11c) 영역의 적어도 하나의 중앙 유전체 층(18)에 리세스(20)가 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 이미징 마이크로볼로미터.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 온도 측정 재료(12)는 상기 흡수재 위에 퇴적되는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터.
3. 청구항 2에 있어서, 리세스가 제공된 제2 흡수재(26)가 상기 온도 측정 재료(12) 위에 배열되는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 추가적인 리세스(29)가 상기 온도 측정 재료(12)가 존재하는 상기 멤브레인(11b 내지 11c)의 영역들을 포함해서, 상기 흡수재(13b 내지 13c)에 제한적으로 형성되는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 측정 재료(12)는 바나듐 산화물 또는 티타늄 산화물로 구성되는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인(11)은 또한 상기 온도 측정 재료(12) 상에 배열되고 상기 중앙 유전체 층(18)의 표면에 걸쳐 연장되는 상부 유전체 층(19)을 포함하고, 상기 리세스(20)는 상기 상부 유전체 층(19)을 가로지르는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인(11a 내지 11c)은 또한 상기 흡수재(13) 아래에 배열되고 상기 흡수재(13)의 표면 전체에 걸쳐 연장되는 하부 유전체 층(17)을 포함하고; 상기 리세스(20)는 하부 유전체 층(17)을 가로지르는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판(30) 위의 멤브레인의 현가는, 한편으로는 상기 멤브레인(11a 내지 11c)에 그리고 다른 한편으로는 상기 기판(30)에 견고하게 부착된 4개의 앵커 네일(15a 내지 15d)에 결합된 4개의 서포트 아암(14a 내지 14h)에 의해 행해지는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 측정 재료(12)의 표면적은 상기 멤브레인(11a 내지 11c)의 표면적의 0.1배보다 더 큰, 적외선 이미징 마이크로볼로미터.
10. 적외선 이미징 마이크로볼로미터(10)를 형성하는 방법으로서,
    

    

    기판 상에 적어도 2개의 앵커 네일을 구조화하는 단계;
    

    

    기판 상에 희생 층(31)을 퇴적하는 단계;
    

    

    상기 희생 층(31) 상에 하부 유전체 층(17)을 퇴적하는 단계(50);
    

    

    흡수재(13a 내지 13c)가 앵커 네일과 전기적으로 연결되도록 상기 하부 유전체 층(17) 상에 상기 흡수재(13a 내지 13c)를 퇴적하는 단계(51);
    

    

    상기 흡수재(13a 내지 13c) 상에 중앙 유전체 층(18)을 퇴적하는 단계(52);
    

    

    온도 측정 재료(12)의 표면적이 상기 멤브레인(13a 내지 13c)의 표면적의 0.4배보다 작도록 상기 온도 측정 재료(12)를 국부적으로 퇴적하는 단계(53);
    

    

    상기 온도 측정 재료(12)의 전면에 있지 않은 또는 상기 온도 측정 재료(12)와 수직으로 일직선이 아닌 부분에 상기 유전체 층(17 내지 19) 및 상기 흡수재(13a 내지 13c)를 통해 리세스(20)를 형성하는 단계(55);
    

    

    서포트 아암(14a 내지 14h)을 구조화하고(55) 이미징 마이크로볼로미터(10a 내지 10c)의 범위를 정하는 단계; 및
    

    

    상기 희생층(31)을 제거하는 단계(56)를 포함하는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터 형성 방법.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 리세스(20)를 형성하는 단계, 서포트 아암(14a 내지 14h)을 구조화하는 단계, 및 상기 이미징 마이크로볼로미터(10a 내지 10c)의 범위를 정하는 단계는 에칭 단계(55)에 의해 동시에 수행되는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터 형성 방법.
12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서, 상기 방법은 또한, 상기 온도 측정 재료(12) 상에 그리고 상기 중앙 유전체 층(18) 상에 상부 유전체 층(19)을 퇴적하는 단계(54)를 포함하는, 적외선 이미징 마이크로볼로미터 형성 방법.

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